实验七 时分复用数字基带通信系统
实验七时分复用数字基带通信系统
一、实验目的
1.掌握时分复用数字基带通信系统的基本原理及数字信号传输过程。
2.掌握位同步信号抖动、帧同步信号错位对数字信号传输的影响。
3.掌握位同步信号、帧同步信号在数字分接中的作用。
二、实验内容
1.用数字信源模块、数字终端模块、位同步模块及帧同步模块连成一个理想信道时分复用数字基带通信系统，使系统正常工作。
2.观察位同步信号抖动对数字信号传输的影响。
3.观察帧同步信号错位对数字信号传输的影响。
4.用示波器观察分接后的数据信号、用于数据分接的帧同步信号、位同步信号。
三、基本原理
本实验要使用数字终端模块。
1. 数字终端模块工作原理：
原理框图如图7-1所示，电原理图如图7-2所示(见附录)。它输入单极性非归零信号、位同步信号和帧同步信号，把两路数据信号从时分复用信号中分离出来，输出两路串行数据信号和两个8位的并行数据信号。两个并行信号驱动16个发光二极管，左边8个发光二极管显示第一路数据，右边8个发光二极管显示第二路数据，二极管亮状态表示“1”，熄灭状态表示“0”。两个串行数据信号码速率为数字源输出信号码速率的1/3。
在数字终端模块中，有以下测试点及输入输出点：
? S-IN 时分复用基带信号输入点
? SD 抽样判后的时分复用信号测试点
? BD 延迟后的位同步信号测试点
? FD 整形后的帧同步信号测试点
? D1 分接后的第一路数字信号测试点
? B1 第一路位同步信号测试点
? F1 第一路帧同步信号测试点
? D2 分接后的第二路数字信号测试点
? B2 第二路位同步信号测试点
? F2 第二路帧同步信号测试点
图7-1 数字终端原理方框图
图7-1中各单元与电路板上元器件对的应关系如下：
?延迟1 U63：单稳态多谐振荡器4528
?延迟2 U62:A：D触发器4013
?整形U64:A：单稳态多谐振荡器4528；U62:B：D触发器4013
?延迟3 U67、U68、U69：移位寄存器40174
?÷3 U72：内藏译码器的二进制寄存器4017
?串/并变换U65、U70：八级移位寄存器4094
?并/串变换 U66、U71：八级移位寄存器4014(或4021)
?显示三极管9013；发光二极管
延迟1、延迟2、延迟3、整形及÷3等5个单元可使串/并变换器和并/串变换器的输入信号SD、位同步信号及帧同步信号满足正确的相位关系，如图7-3所示。
移位寄存器40174把FD延迟7、8、15、16个码元周期，得到FD-7、FD-15、FD-8（即F1）和FD-16（即F2）等4个帧同步信号。在FD-7及BD的作用下，U65（4094）将第一路串行信号变成第一路8位并行信号，在FD-15和BD作用下，U70（4094）将第二路串行信号变成第二路8位并行信号。在F1及B1的作用下，U66（4014）将第一路并行信号变为串行信号D1，在F2及B2的作用下，U71（4014）将第二路并行信号变为串行信号D2。B1和B2的频率为位同步信号BS频率的1/3，D1信号、D2信号的码速率为信源输出信号码速率的1/3。
U65、U70输出的并行信号送给显示单元。根据数字信源和数字终端对应的发光二极管的亮熄状态，可以判断数据传输是否正确。
串/并变换及并/串变换电路都有需要位同步信号和帧同步信号，还要求帧同步信号的宽度为一个码元周期且其上升沿应与第一路数据的起始时刻对齐，因而送给移位寄存器U67的帧同步信号也必须符合上述要求。但帧同步模块提供的帧同步信号脉冲宽度大于两个码元的宽度，且帧同步脉冲的上升沿超前于数字信源输出的基带信号第一路数据的起始时刻约半个码元（帧同步脉冲上升沿略迟后于位同步信号的上升沿，而位同步信号上升沿位于位同步器输入信号的码元中间，由帧同步器工作原理可得到上述结论），故不能直接将帧同步器提取的帧同步信号送到移位寄存器U67的输入端。
终端模块将帧同步器提取的帧同步信号送到单稳U64的输入端，单稳U64设为上升沿触发状态，其输出脉冲宽度略小于一个码元宽度，然后用位同步信号BD对单稳输出抽样后得到FD，如图7-3所示。
图7-3 变换后的信号波形
应指出的是，当数字终端采用其它电路或分接出来的数据有其它要求时，对位同步信号及帧同步信号的要求将有所不同，但不管采用什么电路，都需要符合某种相位关系的帧同步信号和位同步信号才能正确分接出时分复用的各路信号。
2. 时分复用数字基带通信系统
图7-5为时分复用数字基带通信系统原理方框图。复接器输出时分复用单极性不归零码（NRZ码），码型变换器将NRZ码变为适于信道传输的传输码（如HDB3码等），发滤波器主要用来限制基带信号频带，收滤器可以滤除一部分噪声，同时与发滤波器、信道一起构成无码间串扰的基带传输特性。复接器和分接器都需要位同步信号和帧同步信号。
图7-5 时分复用数字基带通信系统
本实验中复接路数N=2，信道是理想的、即相当于将发滤波器输出信号无失真地传输到收滤波器。为简化实验设备，收、发滤波器也被省略掉。
本实验的主要目的是掌握位同步信号及帧同步信号在数字基带传输中的作用，故也可省略码型变换和反变换单元。
四、实验步骤
本次实验使用数字信源、位同步、帧同步、数字终端这四个单元。它们的信号连接关系如图7-6所示，其中实线表示实验板上已经布好，虚线（共四根）表示实验中要手工连接的信号线。
1.复习位同步、帧同步的实验内容并熟悉数字终端单元工作原理，按照图7-6将这四个模块连在一起，接通实验箱电源。
图7-6 数字基带系统连接图
2.用示波器CH1观察数字信源单元NRZ-OUT波形，判断信源单元是否工作正常。
图1数字信源单元设置图2信号NRZ波形结果分析：如图1所示，通过开关K1、K2、K3将数字信源单元置于0111 0010 0001 1100 1111 0000。示波器的通道探头CH1接NRZ-OUT，得到的波形如图2所示，可知发光二极管的发光状态与实际波形相符，信源单元工作正常。
3.用示波器CH2观察位同步单元BS-OUT，调节位同步单元的可变电容，使位同步信号BS-OUT对准信源的NRZ信号中间位置并且相位抖动最小。
图3 数字信源单元设置图4 信号NRZ、BS波形结果分析：如图3所示，通过开关K1、K2、K3将数字信源单元置于0111 0010 0001 1100 1111 0000。示波器的两个通道探头CH1接NRZ-OUT，CH2接BS-OUT，得到的波形如图4所示，通过调节位同步单元的可变电容，从信源单元和数字终端的发光二极管显示状态和示波器波形可知：位同步信号BS-OUT已对准信源的NRZ信号中间位置并且相位抖动最小，实际波形与理论结果相符。
4.将数字信源单元的K1置于 1110010，用示波器CH2观察帧同步单元FS信号与信源NRZ信号的相位关系，判断帧同步单元是否工作正常。
图5 数字信源单元设置图6 信号NRZ、FS波形结果分析：如图5所示，通过开关K1、K2、K3将数字信源单元置于0111 0010 0001 1100 1111 0000。示波器的通道探头CH1接NRZ-OUT，CH2接FS-OUT，得到的波形如图6所示，可知帧同步单元FS信号在信源NRZ信号每一周期的第一帧时为高电平，否则为低电平，帧同步单元工作正常，实际波形与理论结果相符。
5.当位同步单元、帧同步单元已正确地提取出位同步信号和帧同步信号时，通过发光二极管观察两路8bit数据已正确地传输到收终端。
图7 发光二极管两路8bit数据
结果分析：由前两个实验可知：位同步单元、帧同步单元已正确地提取出位同步信号和帧同步信号。在本实验中，如图7所示，通过发光二极管的发光状态我们可以观察到两路8bit数据已正确地传输到数字终端。
6.用示波器观察分接出来的两路8bit周期信号D1(对应位同步B1)和D2(对应B2)。
图8 发光二极管两路8bit数据图9 信号D1、D2波形
图10 信号D1、B1波形图11 信号D2、B2波形结果分析：如图8所示，通过开关K1、K2、K3将数字信源单元置于0111 0010 0001 1100 1111 0000。示波器的通道探头CH1接D1，CH2接D2，得到的波形如图9所示，可知发光二极管的发光状态对应的两路8bit数据与两路波形一一对应，实际波形与理论结果相符；示